DE102008018841A1 - Method for producing and constructing a power module - Google Patents

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Bernd Felber
Christoph Hornstein
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und den Aufbau eines Leistungsmoduls, insbesondere eines Leistungsmoduls zum Einsatz in Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen, bei dem mindestens ein Halbleiterelement auf mindestens ein DBC-Keramiksubstrat (4) gelötet wird. In einem Rahmen (9) wird mindestens eine Stromschiene (1) befestigt, die über dem DBC-Keramiksubstrat (4) angeordnet ist und durch Ultraschallschweißen von mindestens einer Metallfahne (7) der Stromschiene (1) mit dem DBC-Keramiksubstrat (4) mechanisch und elektrisch verbunden ist.The invention relates to a method for producing and constructing a power module, in particular a power module for use in hybrid and / or electric vehicles, in which at least one semiconductor element is soldered to at least one DBC ceramic substrate (4). In a frame (9) at least one bus bar (1) is fixed, which is arranged above the DBC ceramic substrate (4) and mechanically by ultrasonic welding of at least one metal tab (7) of the bus bar (1) with the DBC ceramic substrate (4) and is electrically connected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 2.The The invention relates to a method for the production and the construction a power module according to the preamble of Claim 1 or 2.

DE 10102621 B4 zeigt ein Leistungsmodul, beispielsweise einen Leistungsumrichter, mit einem aus einem isolierenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehenden Trägerkörper zur Aufnahme einer Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischen Bauteil. Auf der Oberseite des Trägerkörpers ist eine Leiterbahnstruktur gebildet, auf der Unterseite des Trägerkörpers ein strukturiertes Kühlelement, das aus dem Material des Trägerkörpers besteht. Die Kontaktierung der Leistungsbauteile erfolgt im Wesentlichen über Drahtbonden von Bonddrähten. Je größer der Strom ist, der durch die Leistungsbauteile fließen soll, desto mehr, bzw. desto dickere Bonddrähte müssen verwendet werden. DE 10102621 B4 shows a power module, such as a power converter, with a consisting of an insulating material with high thermal conductivity carrier body for receiving a circuit arrangement with at least one electronic component. On the upper side of the carrier body, a conductor track structure is formed, on the underside of the carrier body a structured cooling element, which consists of the material of the carrier body. The contacting of the power components takes place essentially via wire bonding of bonding wires. The larger the current that is to flow through the power components, the more, or the thicker bonding wires must be used.

EP 1470743 B1 beschreibt ein Leistungsmodul, beispielsweise einen Leistungsumrichter für Elektromotoren, das aus mindestens einem Trägerkörper aufgebaut ist, der mindestens ein Leistungsbauteil aufnimmt, sowie eine Entladeschaltung, die eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. EP 1470743 B1 describes a power module, for example a power converter for electric motors, which is constructed from at least one carrier body, which accommodates at least one power component, and a discharge circuit, which ensures high reliability.

Auch in den dort vorgestellten Ausführungsformen des Leistungsmoduls erfolgt die Kontaktierung über Drahtbonden von Bonddrähten. Die erste Figur der EP 1470743 B1 zeigt den hohen Bedarf an Bonddrähten.Also in the embodiments of the power module presented there contacting takes place via wire bonding of bonding wires. The first figure of the EP 1470743 B1 shows the high demand for bonding wires.

Elektronische Baugruppen, die Leistungen im kW-Bereich bereitstellen, sind als Leistungsmodule ausgebildet. Leistungsmodule werden insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt. In Hybridfahrzeugen kommt eine Elektromaschine, beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine im Verbund mit einer Verbrennungsmaschine zum Einsatz. Elektrofahrzeuge werden ausschließlich elektrisch angetrieben. Ein Leistungsmodul in Form eines Dreiphasen-Wechselrichters erlaubt die Ansteuerung der Drehfeldwicklung einer Synchron- oder Asynchronmaschine. In Hybridfahrzeugen wird die Leistungselektronik typischerweise nahe der Verbrennungsmaschine verbaut. Die Leistungselektronik ist hohen Belastungen durch Temperatur und Vibrationen ausgesetzt. Zudem ist der Bauraum sehr begrenzt.electronic Modules that provide power in the kW range are as Power modules trained. Performance modules will be particular used in hybrid and electric vehicles. In hybrid vehicles comes an electric machine, such as a synchronous or asynchronous machine used in conjunction with an internal combustion engine. electric vehicles are powered exclusively by electricity. A power module in the form of a three-phase inverter allows the control the rotating field winding of a synchronous or asynchronous machine. In Hybrid vehicles will typically be close to power electronics the combustion engine installed. The power electronics are high Exposure to temperature and vibration. In addition is the space very limited.

Leistungsmodule werden typischerweise mit hohen Gleichspannungen größer 60 V (und somit oberhalb des Niedervoltbereichs) betrieben. Aktive Bauelemente wie Halbleiterschalter, insbesondere Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs), arbeiten im Schaltbetrieb mit hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten dI/dt von bis zu 4,5 kA/μs. Zur Vermeidung von Überspannungen ist daher ein induktionsarmer Aufbau von Leistungsmodulen von höchster Bedeutung.power modules typically become larger with high DC voltages 60 V (and thus above the low voltage range) operated. Active components such as semiconductor switches, in particular insulated gate bipolar transistors (IGBTs), work in switching operation with high current change speeds dI / dt of up to 4.5 kA / μs. To avoid overvoltages is therefore an induction-poor construction of power modules of the highest Importance.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung und ein Aufbau eines Leistungsmoduls, das stabil und niederinduktiv aufgebaut ist, bei dem der Bonddrahtbedarf reduziert ist und durch das Bauraum eingespart wird.task The present invention thus provides a process for the production and a construction of a power module that is stable and low inductance is constructed, in which the bonding wire needs is reduced and by the installation space is saved.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung bzw. einen Aufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.The Task is by a method for manufacturing or a structure solved with the features of claim 1 or 2. advantageous Developments of the invention will become apparent from the dependent claims, including combinations and developments of individual features are possible with each other.

Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls wird mindestens ein Halbleiterelement auf mindestens ein direct-bonded-copper-(DBC)-Keramiksubstrat gelötet. Sowohl die Variante mehrere Halbleiterelemente auf einem einzelnen DBC-Keramiksubstrat als auch die Variante mehrere DBC-Keramiksubstrate, auf denen jeweils mindestens ein Halbleiterbauelement angeordnet ist, sind also realisierbar. Das DBC-Keramiksubstrat wird auf einer Grundplatte befestigt, typischerweise gelötet. Bevorzugt ist die Grundplatte als Kühlkörper ausgebildet, über den die Wärme des oder der Halbleiterelemente abgeleitet wird.Corresponding the process for the preparation of an inventive Power module will at least one semiconductor element on at least soldered a direct-bonded-copper (DBC) ceramic substrate. Both the variant of multiple semiconductor elements on a single DBC ceramic substrate as well as the variant of several DBC ceramic substrates, on each of which at least one semiconductor component is arranged is, are therefore feasible. The DBC ceramic substrate is placed on a Base plate attached, typically soldered. Prefers the base plate is designed as a heat sink, over the heat of the semiconductor element or elements is derived.

Ein Rahmen für das Leistungsmodul wird vorzugsweise durch Spritzgießen erstellt, in dem mindestens eine Stromschiene befestigt wird. Die Stromschiene ist über dem DBC-Keramiksubstrat angeordnet. Durch die Stromschiene wird bevorzugt ein großer Strom geleitet, beispielsweise zu einem Anschluss an einen Gleichstrom-Zwischenkreis oder ein Phasenstrom an einen Phasenanschluss. Der Rahmen besteht vorzugsweise aus Kunststoff, ganz bevorzugt aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Der Rahmen wird als Modulrahmen bezeichnet. Der Rahmen kann auch die Funktion des Bondrahmens erfüllen, wenn er Kontaktflächen trägt, auf die mindestens ein Bonddraht vom DBC-Keramiksubstrat und/oder einem Halbleiterelement gebondet wird.One Frame for the power module is preferably by injection molding created in which at least one bus bar is attached. The busbar is disposed over the DBC ceramic substrate. By the Busbar, a large current is preferably conducted, for example, to a connection to a DC link or a phase current to a phase connection. The frame exists preferably made of plastic, most preferably made of glass fiber reinforced Plastic. The frame is called a module frame. The frame can also fulfill the function of the bond frame if he Bears contact surfaces on the at least one bonding wire bonded by the DBC ceramic substrate and / or a semiconductor element becomes.

Erfindungsgemäß wird mindestens eine Stromschiene des Leistungsmoduls durch Ultraschallschweißen von mindestens einer Metallfahne der Stromschiene mit einem DBC-Keramiksubstrat mechanisch und elektrisch verbunden.According to the invention at least one busbar of the power module by ultrasonic welding of at least one metal tab of the bus bar with a DBC ceramic substrate mechanically and electrically connected.

Dieses Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls ermöglicht durch den Einsatz der Fügetechnik des Ultraschallschweißens einen gegenüber dem Stand der Technik besonders niederinduktiven und platzsparenden Aufbau. Durch das kleinflächige Ultraschallverschweißen der Metallfahne werden bis zu 60 Prozent an Bonddrahtverbindungen eingespart, die entsprechend viel Platz auf dem DBC-Keramiksubstrat benötigen würden. Das Ultraschallschweißen bietet einen optimalen Materialübergang von der Stromschiene, deren Metallfahne(n) ultraschallverschweißt wird bzw. werden, auf die Kupferoberfläche des DBC-Keramiksubstrats. Diese Kontaktierung ist niederohmig. Kontaktkorrosion wird durch dieses Herstellungsverfahren über die Lebenszeit des Leistungsmoduls vermieden.This method for producing a power module allows using the joining technique of ultrasonic welding a comparison with the prior art particularly low-inductance and space-saving design. Due to the small-surface ultrasonic welding of the metal flag up Saving 60% on bond wire connections, which would require a lot of space on the DBC ceramic substrate. Ultrasonic welding provides optimum material transfer from the bus bar, the metal tab (s) of which are ultrasonically welded, to the copper surface of the DBC ceramic substrate. This contact is low impedance. Contact corrosion is avoided by this manufacturing process over the lifetime of the power module.

Da mindestens eine Stromschiene einerseits im Rahmen befestigt und andererseits mit der Metallfahne mit dem DBC-Keramiksubstrat ultraschallverschweißt ist, ist die Stromschiene so stabil befestigt, dass trotz der vorherrschenden Vibrationen von einem Halbleiterelement direkt auf die Stromschiene gebondet werden kann. Dadurch können Bonddrahtverbindungen sehr kurz gehalten werden. Durch den niederinduktiven Aufbau werden Schaltverluste der IGBTs reduziert. Auf dem DBC-Keramiksubstrat können vorteilhaft Steuerkontaktflächen eingespart werden, da diese direkt von der Stromschiene abgegriffen werden können. Die Nutzung der dritten Dimension durch Verlegen eines Teils der Stromführung auf mindestens eine Stromschiene über das DBC-Keramiksubstrat führt zur Verkleinerung des DBC-Keramiksubstrats durch den Wegfall von Kupferflächen zur Stromführung, was eine Reduzierung des Bauraums ermöglicht.There at least one busbar on the one hand in the frame attached and on the other hand ultrasonically welded to the metal tab with the DBC ceramic substrate is, the busbar is fixed so stable that, despite the prevailing Vibrations from a semiconductor element bonded directly to the busbar can be. As a result, bonding wire connections can be very be kept short. Due to the low-inductance structure switching losses the IGBTs reduced. On the DBC ceramic substrate can advantageous control contact surfaces can be saved since These can be tapped directly from the busbar. The use of the third dimension by moving part of the Power supply to at least one busbar via the DBC ceramic substrate results in downsizing of the DBC ceramic substrate due to the omission of copper surfaces for power supply, which allows a reduction of the installation space.

In einer vorteilhaften Ausführungsform eines Leistungsmoduls mit mindestens zwei Gleichspannungsanschlüssen sind die beiden Stromschienen, die zu den Gleichspannungsanschlüssen führen, parallel übereinander über dem DBC-Keramiksubstrat angeordnet. Durch eine Isolierung sind die beiden Stromschienen elektrisch voneinander isoliert. Die Isolierung kann vorzugsweise aus demselben Material wie der Rahmen ausgebildet werden. Das Parallelführen der beiden Stromschienen bietet den Vorteil des niederinduktiven Anschließens an einen Gleichspannungskreis. Dadurch, dass beide Stromschienen übereinanderliegen, erhöht sich die Stabilität des Aufbaus und es kann beispielsweise eine der beiden Stromschienen nur im Rahmen befestigt werden (und nicht zusätzlich durch Ultraschallschweißen).In an advantageous embodiment of a power module with at least two DC voltage connections are the two busbars leading to the DC voltage connections lead, parallel over each other over the DBC ceramic substrate arranged. Through an insulation, the two busbars electrically isolated from each other. The insulation may preferably be formed of the same material as the frame. Parallel guiding The two busbars offers the advantage of low-inductance Connecting to a DC circuit. As a result of that both busbars superposed, increased itself the stability of the construction and it can for example one of the two power rails can only be fixed in the frame (and not additionally by ultrasonic welding).

Entsprechend einem weiteren vorteilhaften Aufbau ist die Stromschiene mechanisch und elektrisch mit dem DBC-Keramiksubstrat verbunden durch Ultraschallschweißen von mehreren Metallfahnen, die bezüglich des oder der Halbleiterelemente auf dem DBC-Keramiksubstrat symmetrisch angeordnet sind. Symmetrisch heißt beispielsweise, dass eine auf beiden Seiten einer Reihe von parallel geschalteten Halbleiterelementen jeweils eine Metallfahne mit dem DBC-Keramiksubstrat ultraschallverschweißt wird oder dass pro Halbleiterelement eine bestimmte Anzahl von Metallfahnen in direkter Nähe zu diesem Halbleiterelement ultraschallverschweißt wird. Der Vorteil liegt in der symmetrischen Stromaufteilung auf die auf dem DBC-Keramiksubstrat angeordneten Halbleiterelemente.Corresponding In another advantageous construction, the busbar is mechanical and electrically connected to the DBC ceramic substrate by ultrasonic welding of a plurality of metal tabs with respect to the semiconductor element (s) the DBC ceramic substrate are arranged symmetrically. symmetrical means, for example, that one on both sides of a Series of parallel-connected semiconductor elements one each Metal tab ultrasonically welded to the DBC ceramic substrate or that per semiconductor element a certain number of metal lugs is ultrasonically welded in close proximity to this semiconductor element. The advantage lies in the symmetrical current distribution on the the DBC ceramic substrate arranged semiconductor elements.

Besonders platzsparend kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eine Strommessvorrichtung um eine Stromschiene im Rahmen angeordnet sein. Die Strommessvorrichtung kann beispielsweise der Messung eines Phasenstroms dienen.Especially saves space can according to another advantageous Embodiment of a current measuring device around a busbar be arranged in the frame. The current measuring device can, for example serve the measurement of a phase current.

Die weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiele beschreiben ein Dreiphasen-Wechselrichtermodul. Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter, kommen zur drehzahl- und momentenabhängigen Steuerung von Dreiphasen-Elektromotoren zum Einsatz. Die Leistungshardware solcher Pulswechselrichter basiert auf einem dreiphasigen Wechselrichtermodul, das auch als Umrichter- oder Invertermodul bezeichnet wird.The describe further advantageous embodiments a three-phase inverter module. Inverter, in particular Pulse inverters, come to the speed and torque-dependent Control of three-phase electric motors used. The power hardware such pulse inverter is based on a three-phase inverter module, which is also referred to as a converter or inverter module.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls je Phase einen Brückenzweig. Jeder Brückenzweig umfasst auf der an eine positive Gleichspannung angeschlossenen Brückenzweighälfte, der sogenannten high-side, und auf der an eine negative Gleichspannung angeschlossenen Brückenzweighälfte, der low-side, jeweils mindestens einen IGBT oder einen gleichermaßen geeigneten Halbleiterschalter und mindestens eine Diode. Die Halbleiterelemente können entsprechend der erforderlichen nominalen Stromstärke skaliert werden und mehrere parallel geschaltete IGBTs und/oder Dioden umfassen. Die beschriebene Aufbauweise für Leistungsmodule durch Ultraschallschweißen von Metallfahnen ermöglicht einen Aufbau des Dreiphasen-Wechselrichters, bei dem jede Brückenzweighälfte auf einem einzelnen DBC-Keramiksubstrat angeordnet ist. Mindestens die zwei DBC-Keramiksubstrate eines Brückenzweigs sind auf eine gemeinsame Grundplatte gelötet. Es können auch alle sechs DBC-Keramiksubstrate des Wechselrichtermoduls auf eine gemeinsame Grundplatte gelötet sein. Die Anschlüsse der Brückenzweigschaltungen an einen Gleichspannungskreis, den Zwischenkreis, erfolgen jeweils über Stromschienen. Im Zwischenkreis wird die elektrische Energie durch einen Zwischenkreiskondensator gespeichert.Corresponding an advantageous embodiment, the structure comprises a three-phase inverter module a bridge branch per phase. Each bridge branch includes on the positive DC voltage connected bridge half, the so-called high-side, and on the connected to a negative DC voltage Bridge half, the low-side, each at least an IGBT or an equally suitable semiconductor switch and at least one diode. The semiconductor elements can scaled according to the required nominal current and multiple IGBTs and / or diodes connected in parallel. The described structure for power modules by Ultrasonic welding of metal flags allows a construction of the three-phase inverter, in which each bridge half is disposed on a single DBC ceramic substrate. At least the two DBC ceramic substrates of a bridge branch are on soldered a common base plate. It can too all six DBC ceramic substrates of the inverter module on one be soldered common base plate. The connections the bridge branch circuits to a DC circuit, the DC link, each via busbars. In the DC link, the electrical energy through a DC link capacitor saved.

Der wesentliche Vorteil dieses Aufbaus eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls besteht in der Reduktion der thermischen Schubspannung, die in die Lötschicht zwischen der Unterseite des DBC-Keramiksubstrats und der Grundplatte eingebracht wird. Die thermische Schubspannung entsteht durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von DBC-Keramiksubstrat und Grundplatte. Typischerweise wird Aluminium-Siliziumcarbid (AlSiC) als Grundplattenmaterial eingesetzt, da in diesem Fall die thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich groß sind. Die Schubspannung hängt von der Fläche eines einzelnen DBC-Keramiksubstrats ab. Je kleiner das DBC-Keramiksubstrat ist, desto geringer ist die Schubspannung und dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Lötverbindung.The main advantage of this construction of a three-phase inverter module is the reduction of the thermal shear stress which is introduced into the solder layer between the underside of the DBC ceramic substrate and the base plate. The thermal shear stress is caused by the different thermal expansion coefficients of DBC ceramic substrate and base plate. Typically, aluminum-silicon carbide (Al SiC) used as a base plate material, since in this case the thermal expansion coefficients are similar. The shear stress depends on the area of a single DBC ceramic substrate. The smaller the DBC ceramic substrate, the lower the shear stress, and thus increases the life of the solder joint.

Alternativ kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform Kupfer anstelle von AlSiC als Grundplattenmaterial verwendet werden. Kupfer stellt zwar ein Material mit einem weniger gut angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten dar als AlSiC, aber dies kann durch die Verkleinerung eines großen DBC-Keramiksubstrats für einen Brückenzweig auf zwei kleinere für die Brückenzweighälften teilweise kompensiert werden. Für viele Einsatzbereiche kann so eine immer noch ausreichend hohe Lebensdauer erzielt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass Kupfer eine gegenüber AlSiC höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt und nur einen Bruchteil von AlSiC kostet.alternative can according to a further advantageous embodiment Copper can be used instead of AlSiC as base plate material. Although copper provides a material with a less well adapted coefficient of thermal expansion is as AlSiC, but this can by downsizing a large DBC ceramic substrate for a bridge branch on two smaller ones for partially compensated for the bridge dwarf halves become. For many areas of application such a can still be sufficiently long life can be achieved. The advantage of this embodiment is that copper one higher than AlSiC Thermal conductivity possesses and only a fraction from AlSiC costs.

Zudem können die beiden DBC-Keramiksubstrate eines Brückenzweigs entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform identische Abmessungen, ein identisches Leiterbahnlayout besitzen und/oder identisch mit Halbleiterelementen bestückt sein. Dies bietet den Vorteil, dass so gegenüber einem großen DBC-Keramiksubstrat doppelt so viele Gleichteile Verwendung finden. Bereits dadurch ergibt sich eine Kostenersparnis. Die kleineren Untereinheiten sind prüfbar, was den Ausschuss und entsprechend die Kosten verringert.moreover For example, the two DBC ceramic substrates of a bridge branch according to a further preferred embodiment identical dimensions, have an identical trace layout and / or be equipped identically with semiconductor elements. This offers the advantage of being so opposite to a big one DBC ceramic substrate can use twice as many common parts. Already this results in a cost savings. The smaller ones Subunits are verifiable, what the committee and accordingly the costs are reduced.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist für jeden Brückenzweig eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls jeweils der Anodenkontakt der low-side Diode über mindestens einen Bonddraht über eine Zwischenkontaktierung mit dem Emitterkontakt des low-side IGBTs verbunden mit der Stromschiene des negativen Gleichspannungsanschlusses. Diese Kontaktierungsweise bietet den Vorteil, dass die Bonddrahtverbindungen kurz sind.In An advantageous embodiment is for everyone Bridge branch of a three-phase inverter module respectively the anode contact of the low-side diode via at least one Bonding wire via an intermediate contact with the emitter contact low-side IGBTs connected to the busbar of the negative DC connection. This contacting mode offers the Advantage that the bonding wire connections are short.

Entsprechend kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Anodenkontakt der high-side Diode über mindestens einen Bonddraht über eine Zwischenkontaktierung mit dem Emitterkontakt des high-side IGBTs verbunden sein mit dem DBC-Keramiksubstrat der low-side Brückenzweighälfte. Auf diese Weise werden die beiden Brückenzweighälften eines Brückenzweigs auf kurzem Wege elektrisch miteinander verbunden.Corresponding can according to a further advantageous embodiment the anode contact of the high-side diode via at least one Bonding wire via an intermediate contact with the emitter contact The high-side IGBTs are associated with the DBC ceramic substrate low-side bridge half. That way the two bridge dome halves of a bridge branch electrically connected to each other over a short distance.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass sich der Dreiphasen-Wechselrichter aus drei separaten identischen Modulen zusammensetzt. Für jeden Brückenzweig ist ein eigenes Modul mit Rahmen vorgesehen. Die Vereinzelung des Dreiphasen-Wechselrichters auf drei einzelne Phasenmodule bietet den Vorteil einer hohen Flexibilität bezogen auf den Einbauort und die Konzeption des Kühlkreissystems.A advantageous embodiment provides that the three-phase inverter composed of three separate identical modules. For each Bridge branch is a separate module with frame provided. The isolation of the three-phase inverter to three individual Phase modules offers the advantage of high flexibility related to the installation location and the design of the cooling circuit system.

Entsprechend eines vorteilhaften Aufbaus des Dreiphasen-Wechselrichters in einem einzigen Modul sind die drei Brückenzweige auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet.Corresponding an advantageous structure of the three-phase inverter in one single module, the three bridge branches are on a common Base plate arranged.

Besonders bevorzugt greift bei diesem Aufbau eine Stromschiene jeweils den positiven Gleichspannungsanschluss aller drei Brückenzweige ab und eine zweite, elektrisch isolierte und parallel angeordnete Stromschiene jeweils den negativen Gleichspannungsanschluss aller drei Brückenzweige. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt im Einsparen von Rahmenmaterial und -fläche, wodurch Bauraum eingespart wird und in einer Reduktion von externen Anschlüssen bzw. Kabelverbindungen.Especially Preferably, in this structure, a bus bar engages in each case positive DC voltage connection of all three bridge branches from and a second, electrically isolated and arranged in parallel Busbar respectively the negative DC voltage connection of all three bridge branches. The advantage of this structure is in Saving of frame material and surface, which means space is saved and in a reduction of external connections or cable connections.

Der Rahmen trägt gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mindestens eine Leiterplatte, auf der eine Elektronik zur Erfassung der Gleichspannung des Zwischenkreises angeordnet ist. Auf der Leiterplatte ist bevorzugt auch die Elektronik zur Ansteuerung der IGBT-Gates und zur Auswertung von Sensoren wie beispielsweise Temperatur- und Hall-Sensoren angeordnet, wenn Sensoren zur Überwachung des Leistungsmoduls vorgesehen sind. Die zu erfassende Gleichspannung des Zwischenkreises wird vorzugsweise direkt von den Stromschienen der beiden Gleichspannungsanschlüsse abgegriffen, besonders bevorzugt mittels ausgeklinkter Kontaktpins. Dadurch werden vorteilhaft Kontaktflächen auf dem DBC-Keramiksubstrat eingespart, die sonst erforderlich sind. Dies stellt eine weitere Maßnahme zur Reduzierung des Bauraumbedarfs dar.Of the Frame carries according to another preferred Embodiment at least one circuit board on which a Electronics for detecting the DC voltage of the DC link is arranged. On the circuit board is also preferred the electronics for controlling the IGBT gates and for evaluating sensors such as For example, temperature and Hall sensors are arranged when sensors are provided for monitoring the power module. The to be detected DC voltage of the DC bus is preferred directly from the busbars of the two DC voltage connections tapped, particularly preferably by means of notched contact pins. This advantageously saves contact surfaces on the DBC ceramic substrate, that are otherwise required. This represents another measure to reduce the space requirement.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rahmen des Wechselrichtermoduls Aussparungen. Die Aussparungen im Rahmen dienen zur Aufnahme der beiden Übertragerkerne der high-side und der low-side Gate-Treiber. Auf dem Rahmen ist eine Leiterplatte angeordnet, auf der die Elektronik zur Ansteuerung der IGBT-Gates angeordnet ist. Die Ansteuerspannung muss transformiert werden, bevor sie die IGBTs ansteuern kann. Die dazu notwendigen Transformatoren verwenden Übertragerkerne. Durch die Aufnahme der Übertragerkerne in die Aussparungen im Rahmen kann die Gesamthöhe für das Wechselrichtermodul um ca. 10–15% reduziert werden.In Another preferred embodiment comprises Frame of the inverter module recesses. The recesses in the Frames serve to accommodate the two transformer cores of the high-side and the low-side gate driver. On the frame is a circuit board arranged on the electronics for driving the IGBT gates is arranged. The drive voltage must be transformed before she can control the IGBTs. The necessary transformers use transformer cores. By recording the transformer cores in the recesses in the frame can the total height for The inverter module can be reduced by about 10-15%.

Durch Füllen des verbleibenden Hohlraums der Aussparungen im Rahmen nach der Aufnahme der Übertragerkerne mit einem elastischen Feststoff können die Anschlüsse der Übertragerkerne vorteilhaft gegen Vibrationsbelastungen geschützt werden. Dadurch wird die Lebensdauer erhöht.By filling the remaining cavity of the recesses in the frame after receiving the transformer cores with an elastic solid, the terminals of the transformer cores can be advantageously protected against vibration loads. This increases the service life.

Durch die beschriebenen Ausführungsvarianten wird ein Aufbau aus kompakten Gleichteilen wie Rahmen, Grundplatte (Kühlkörper), Stromschienen, leistungsskalierbaren DBC-Keramiksubstraten ermöglicht. Das Konzept erlaubt die Anpassung an denkbare normierte Abmaße für Gehäuse von leistungselektronischen Systemen im automotiven Bereich wie Fahrumrichter, DC-DC-Konverter, Wechselrichter für Klimakompressor oder Getriebeölpumpe.By the described embodiments will be a structure from compact common parts such as frame, base plate (heat sink), Busbars, power scalable DBC ceramic substrates. The concept allows adaptation to conceivable standardized dimensions for housings of power electronic systems in the automotive sector such as travel converter, DC-DC converter, inverter for air conditioning compressor or transmission oil pump.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.in the Below is an embodiment of the invention based explained in more detail by drawings.

1 zeigt das Schaltbild eines Dreiphasen-Wechselrichters. 1 shows the circuit diagram of a three-phase inverter.

2 zeigt eine Grundplatte mit sechs DBC-Keramiksubstraten und den darauf angeordneten Halbleiterelementen. 2 shows a base plate with six DBC ceramic substrates and the semiconductor elements arranged thereon.

3 zeigt ein Dreiphasen-Wechselrichtermodul mit sechs DBC-Keramiksubstraten. 3 shows a three-phase inverter module with six DBC ceramic substrates.

4 zeigt den räumlichen Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls mit Stromschienen und -anschlüssen. 4 shows the spatial structure of a three-phase inverter module with busbars and terminals.

5 zeigt den Kühlkörper und die Phasenanschlüsse eines Dreiphasen-Wechselrichters. 5 shows the heat sink and the phase connections of a three-phase inverter.

Das Schaltbild in 1 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Schaltungsanordnung eines Dreiphasen-Wechselrichters. Am positiven Gleichspannungsanschluss (+) und am negativen Gleichspannungsanschluss (–) wird der Zwischenkreis, beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator, angeschlossen. Die Richtung des Gleichstroms (i1) ist durch den Pfeil markiert. Über die drei Brückenzweige (A, B, C) werden die drei Phasenströme iA, iB, iC erzeugt, die an den Phasenanschlüssen (a, b, c) abgegriffen werden. Ein Brückenzweig für eine Phase (A) hat zwei Brückenzweighälften: eine Brückenzweighälfte ist an den positiven Gleichspannungsanschluss (+) angeschlossen, die high-side (A.1), und eine Brückenzweighälfte ist an den negativen Gleichspannungsanschluss (–) angeschlossen, die low-side (A.2). Die high-side bzw. low-side Brückenzweighälfte umfasst jeweils einen oder mehrere parallel geschaltete IGBT-Chips (SA1 bzw. SA2) und einen oder mehrere parallel geschaltete Dioden-Chips (DA1 bzw. DA2). Das Schaltbild veranschaulicht die Bezeichnung Sixpack-Modul für ein entsprechendes Dreiphasen-Wechselrichtermodul. In dem bevorzugten Schaltungsanordnungsbeispiel nach 1 sind ergänzend Strommessvorrichtungen (MA, MB, MC) zur Messung der Phasenströme iA, iB, iC vorgesehen.The circuit diagram in 1 shows a prior art circuit arrangement of a three-phase inverter. At the positive DC voltage connection (+) and at the negative DC voltage connection (-), the DC link, for example a DC link capacitor, is connected. The direction of the direct current (i 1 ) is marked by the arrow. The three bridge branches (A, B, C) generate the three phase currents i A , i B , i C , which are tapped at the phase terminals (a, b, c). A bridge branch for one phase (A) has two bridge duplex halves: a bridge half half is connected to the positive DC connection (+), the high side (A.1), and a bridge half is connected to the negative DC connection (-); side (A.2). The high-side or low-side bridge half each comprises one or more parallel-connected IGBT chips (S A1 or S A2 ) and one or more parallel-connected diode chips (D A1 or D A2 ). The diagram illustrates the term six-pack module for a corresponding three-phase inverter module. In the preferred circuit arrangement example 1 are additionally current measuring devices (M A , M B , M C ) for measuring the phase currents i A , i B , i C provided.

Für eine Applikation mit einem vorgegebenen nominalen Phasenstrom kann die Schaltung beispielsweise durch 3 parallele Dioden-Chips (DA1, DA2) und 3 parallele IGBT-Chips (SA1, SA2) je Brückenzweighälfte (A.1, A.2) realisiert werden.For an application with a given nominal phase current, the circuit can be realized, for example, by 3 parallel diode chips (D A1 , D A2 ) and 3 parallel IGBT chips (S A1 , S A2 ) per bridge half (A.1, A.2) become.

2 zeigt sechs DBC-Keramiksubstrate (4), die auf einer gemeinsamen Grundplatte (8) befestigt sind. Vorzugsweise sind die DBC-Keramiksubstrate (4) auf die Grundplatte (8) gelötet. Ein DBC-Keramiksubstrat (4) dient jeweils der Aufnahme der Halbleiterelemente für eine Brückenzweighälfte (A.1, A.2, B.1, B.2, C.1, C.2). Dadurch wird die in 1 dargestellte Schaltung in einem Leistungsmodul aufgebaut. Die DBC-Keramiksubstrate (4) können entsprechend der Darstellung in 2 bevorzugt gleich groß sowie besonders bevorzugt identisch mit Halbleiterelementen bestückt sein. Sie könnten auch abweichend von der Darstellung ein identisches Leiterbahnlayout besitzen. 2 shows six DBC ceramic substrates ( 4 ) mounted on a common base plate ( 8th ) are attached. Preferably, the DBC ceramic substrates ( 4 ) on the base plate ( 8th ) soldered. A DBC ceramic substrate ( 4 ) each serves to receive the semiconductor elements for a bridge half (A.1, A.2, B.1, B.2, C.1, C.2). This will make the in 1 illustrated circuit constructed in a power module. The DBC ceramic substrates ( 4 ) as shown in 2 preferably be the same size and particularly preferably be equipped identically with semiconductor elements. You could also have deviating from the representation of an identical trace layout.

Die Halbleiterelemente sind als quadratische IGBT-Chips (SA1, SA2) und als rechteckige Dioden-Chips (DA1, DA2) dargestellt. Für den im Folgenden beschriebenen Aufbau des Dreiphasen-Wechselrichtermoduls werden die oberen drei DBC-Keramiksubstrate (4) als high-side Brückenzweighälften (A.1, B.1, C.1) und die drei unteren DBC-Keramiksubstrate (4) als low-side Brückenzweighälften (A.2, B.2, C.2) betrachtet.The semiconductor elements are shown as square IGBT chips (S A1 , S A2 ) and as rectangular diode chips (D A1 , D A2 ). For the construction of the three-phase inverter module described below, the upper three DBC ceramic substrates ( 4 ) as high-side bridge duplex halves (A.1, B.1, C.1) and the three lower DBC ceramic substrates ( 4 ) are considered as low-side bridge duplex halves (A.2, B.2, C.2).

Die bevorzugte Kontaktierungungsweise der Halbleiterelemente wird anhand des Brückenzweigs der Phase A beschrieben. Bonddrähte (3) verbinden die Gateanschlüsse der IGBT-Chips (SA1, SA2) mit Kontaktbereichen (6) auf den jeweiligen DBC-Keramiksubstraten (4). Die Kontaktbereiche (6) sind isolierte Bereiche auf dem DBC-Keramiksubstrat (4).The preferred method of contacting the semiconductor elements will be described with reference to the bridge branch of phase A. Bonding wires ( 3 ) connect the gate terminals of the IGBT chips (S A1 , S A2 ) with contact areas ( 6 ) on the respective DBC ceramic substrates ( 4 ). The contact areas ( 6 ) are isolated regions on the DBC ceramic substrate ( 4 ).

Auf der oben dargestellten high-side Brückenzweighälfte (A.1) sind die Anodenkontakte der Dioden (DA1) durch Bonddrähte (3) über eine Zwischenkontaktierung mit den Emitterkontakten der IGBT-Chips (SA1) mit dem low-side (A.2) DBC-Keramiksubstrat (4) verbunden, das auf dem Phasenpotenzial dieses Brückenzweigs (A) liegt. Exemplarisch ist eine derartige Bonddrahtverbindung (3) in 2 dargestellt. Die Länge der Bonddrähte (3) zwischen den high-side IGBTs (SA1) und dem low-side (A.2) DBC-Keramiksubstrat (4) bestimmt die wirksame Stromgegenkopplung im Schaltvorgang, d. h. bei der Stromkommutierung vom high-side (A.1) IGBT-Emitterkontakt auf die low-side Diode (DA2) oder umgekehrt. Mit dem realisierten Schlitz für den Abgriff des high-side (A.1) Hilfsemitters auf dem low-side (A.2) DBC-Keramiksubstrat wird vermieden, dass ein durch den Laststrom hervorgerufener Potentialabfall bis hin zum eigentlichen Hilfsemitterabgriff entsteht. Wäre die durch die Bonddrähtlänge wirksame Stromgegenkopplung für den high-side IGBT (SA1) zu gering, so ist eine Erhöhung der Stromgegenkopplung durch eine Reduzierung der Schlitzlänge möglich. Durch die Schlitztechnik kann der high-side Hilfsemitteranschluss, d. h. der Emittersteueranschluss (EA1), im Rahmen (9) an eine mechanisch zugängliche Position verschoben werden.On the high-side bridge half (A.1) shown above, the anode contacts of the diodes (D A1 ) are provided by bonding wires ( 3 ) via an intermediate contact with the emitter contacts of the IGBT chips (S A1 ) with the low-side (A.2) DBC ceramic substrate ( 4 ), which lies at the phase potential of this bridge branch (A). By way of example, such a bonding wire connection ( 3 ) in 2 shown. The length of the bonding wires ( 3 ) between the high-side IGBTs (S A1 ) and the low-side (A.2) DBC ceramic substrate ( 4 ) determines the effective current negative feedback in the switching process, ie in the current commutation of the high-side (A.1) IGBT emitter contact on the low-side diode (D A2 ) or vice versa. With the realized slot for the tapping of the high-side (A.1) auxiliary emitter on the low-side (A.2) DBC ceramic substrate is avoided that caused by the load current potential drop up to the actual auxiliary emitter tap arises. Would be effective through the bond wire length current negative feedback for the high-side IGBT (S A1 ) to ge ring, it is possible to increase the current negative feedback by reducing the slot length. Due to the slot technique, the high-side auxiliary emitter terminal, ie the emitter control terminal (E A1 ), in the frame ( 9 ) are moved to a mechanically accessible position.

Die Anoden der low-side Dioden (DA1) sind mittels Bonddrähten (3) über eine Zwischenkontaktierung mit den Emitterkontakten der low-side IGBT-Chips (SA2) direkt mit der Stromschiene (1) des negativen Gleichspannungsanschlusses (–) verbunden. Eine derartige Bonddrahtverbindung (3) ist in 3 beim rechten Brückenzweig (C) gezeigt. Hier bestimmt primär die Länge der Bonddrähte (3) zwischen den low-side IGBTs (SA2) und der Stromschiene (1) für den negativen Gleichspannungsanschluss (–) die wirksame Stromgegenkopplung bei der Stromkommutierung vom low-side IGBT (SA2) auf die high-side Diode (DA1) oder umgekehrt.The anodes of the low-side diodes (D A1 ) are by means of bonding wires ( 3 ) via an intermediate contact with the emitter contacts of the low-side IGBT chips (S A2 ) directly to the busbar (FIG. 1 ) of the negative DC voltage connection (-). Such a bonding wire connection ( 3 ) is in 3 shown at the right bridge branch (C). Here primarily determines the length of the bonding wires ( 3 ) between the low-side IGBTs (S A2 ) and the busbar ( 1 ) for the negative DC voltage connection (-) the effective current negative feedback in the current commutation of the low-side IGBT (S A2 ) on the high-side diode (D A1 ) or vice versa.

Da bei einer Parallelbestückung mehrerer low-side IGBTs (SA2) jeder einzelne separat über Bonddrähte (3) mit der Stromschiene (1) für den negativen Gleichspannungsanschluss (–) verbunden ist, kann eine Symmetrierung des Laststroms auf die parallel geschalteten low-side IGBTs (SA2) während des Schaltvorgangs bewirkt werden. Die beschriebene Minimierung der Bonddrahtlänge trägt somit deutlich zur Niederinduktivität des gesamten Aufbaus bei. So kann sichergestellt werden, dass bei den Schaltvorgängen mit typischen Stromänderungen von dI/dt = 3...4,5 kA/μs keine unzulässig hohen Schaltüberspannungen entstehen.Since with a parallel arrangement of several low-side IGBTs (S A2 ) each individual separately via bonding wires ( 3 ) with the busbar ( 1 ) is connected to the negative DC voltage connection (-), a balancing of the load current to the parallel-connected low-side IGBTs (S A2 ) can be effected during the switching operation. The described minimization of the bonding wire length thus contributes significantly to the low inductance of the entire structure. This ensures that no inadmissibly high switching overvoltages occur during switching operations with typical current changes of dI / dt = 3 ... 4.5 kA / μs.

In 2 ist auf dem high-side (B.1) DBC-Keramiksubstrat (4) des mittleren Brückenzweigs (B) oben links ein Temperatursensor (11) dargestellt. Der Temperatursensor (11) detektiert die Temperatur des high-side (B.1) DBC-Keramiksubstrats (4).In 2 is on the high-side (B.1) DBC ceramic substrate ( 4 ) of the middle bridge branch (B) top left a temperature sensor ( 11 ). The temperature sensor ( 11 ) detects the temperature of the high-side (B.1) DBC ceramic substrate ( 4 ).

3 zeigt den Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls, dem der anhand von 2 beschriebene Aufbau mit DBC-Keramiksubstraten (4) und die dort beschriebene Kontaktierung der Halbleiterelemente zugrunde liegt. Zusätzlich zu 2 sind die Stromschienen (1) für die Gleichspannungsanschlüsse (+, –), und für die Phasenanschlüsse (a, b, c), die ultraschallverschweißten Metallfahnen (7) und der Rahmen (9) dargestellt. Der Rahmen (9) ist auf der Grundplatte (8) angeordnet und trennt die DBC-Keramiksubstrate (4) der drei Brückenzweige (A, B, C) voneinander. Im Rahmen (9) sind die Stromschienen (1) befestigt. In der Draufsicht nach 3 verdeckt die Stromschiene (1) für den negativen Gleichspannungsanschluss (–) im Bereich des Moduls die Stromschiene (1) für den positiven Gleichspannungsanschluss (+), da die negative über der positiven Anschlussschiene liegt. Die beiden Stromschienen (1) sind durch eine Isolierung (5) voneinander elektrisch isoliert und verlaufen im Inneren des Moduls parallel zueinander. Die Metallfahnen (7), die mit den high-side (A.1, B.1, C.1) DBC-Keramiksubstraten (4) verschweißt sind, sind Teil der Stromschiene (1), die zum positiven Gleichspannungsanschluss (+) führt. Diese Metallfahnen (7) sind rechts und links von den parallel geschalteten Dioden-Chip-Reihen (DA1, DB1, DC1) angeordnet. Dadurch ist eine symmetrische Aufteilung des Gleichstroms auf die Halbleiterelemente sichergestellt. 3 shows the structure of a three-phase inverter module, the basis of 2 described construction with DBC ceramic substrates ( 4 ) and the contacting of the semiconductor elements described therein is based. In addition to 2 are the busbars ( 1 ) for the DC voltage connections (+, -), and for the phase connections (a, b, c), the ultrasonically welded metal lugs ( 7 ) and the frame ( 9 ). The frame ( 9 ) is on the base plate ( 8th ) and separates the DBC ceramic substrates ( 4 ) of the three bridge branches (A, B, C) from each other. As part of ( 9 ) are the busbars ( 1 ) attached. In the plan view 3 conceals the busbar ( 1 ) for the negative DC voltage connection (-) in the area of the module the busbar ( 1 ) for the positive DC voltage connection (+), as the negative is above the positive connection rail. The two busbars ( 1 ) are protected by insulation ( 5 ) are electrically insulated from each other and run parallel to each other inside the module. The metal flags ( 7 ) with the high-side (A.1, B.1, C.1) DBC ceramic substrates ( 4 ) are part of the busbar ( 1 ), which leads to the positive DC voltage connection (+). These metal flags ( 7 ) are arranged to the right and left of the parallel-connected diode chip rows (D A1 , D B1 , D C1 ). This ensures a symmetrical distribution of the direct current to the semiconductor elements.

Die Kontaktierung der Stromschienen (1) für die Phasenanschlüsse (a, b, c) mit dem low-side (A.2) DBC-Keramiksubstrat (4) erfolgt ebenfalls durch Ultraschallschweißen von Metallfahnen (7) der Stromschiene (1) für die Phasenanschlüsse (a, b, c). Eine symmetrische Stromaufteilung bezüglich der low-side Halbleiterelemente (SA2, DA2) wird hierbei dadurch erzielt, dass in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Metallfahne (7) jeweils für einen Dioden-(DA2) und einen IGBT-Chip (SA2) in der Nähe zu diesen Halbleiterelementen ultraschallverschweißt wird. Die Stromschienen (1) für die Phasenanschlüsse (a, b, c) sind kurz, die Phasenströme werden von dem jeweiligen low-side DBC-Keramiksubstrat (4) durch den Rahmen (9) zum jeweiligen Phasenanschluss (a, b, c) geleitet.Contacting the busbars ( 1 ) for the phase terminals (a, b, c) with the low-side (A.2) DBC ceramic substrate ( 4 ) also takes place by ultrasonic welding of metal lugs ( 7 ) of the busbar ( 1 ) for the phase connections (a, b, c). A symmetrical current distribution with respect to the low-side semiconductor elements (S A2 , D A2 ) is achieved in that in the illustrated embodiment, a metal flag ( 7 ) is ultrasonically welded to a diode (D A2 ) and an IGBT chip (S A2 ) in the vicinity of these semiconductor elements, respectively. The busbars ( 1 ) for the phase terminals (a, b, c) are short, the phase currents are from the respective low-side DBC ceramic substrate ( 4 ) through the frame ( 9 ) are conducted to the respective phase connection (a, b, c).

Im Rahmen (9) sind mehrere Kontakt- und Anschlusspins angeordnet. In der Nähe des Temperatursensors (11) sind in den Rahmen (9) zwei Kontaktflächen (2) eingelassen, die im Rahmen jeweils mit einem Anschlusspin (12) für den Temperatursensor (11) verbunden sind. Der Temperatursensor (11) wird vom DBC-Keramiksubstrat (4) durch Bonddrähte (3) mit den Kontaktflächen (2) auf dem Rahmen (9) verbunden. Insofern erfüllt der Rahmen die Funktion eines Bondrahmens. Alle Kontaktpins (Gj1, Ej1, Gj2) der Brückenzweige j = (A, B, C) und alle Anschlusspins (12), die mit einer Kontaktfläche (2) verbunden sind, sind so im Rahmen (9) angeordnet, dass die entsprechenden Bonddrähte (3) kurz gehalten werden. Die restlichen Kontaktpins (Ej2, Kj1 bzw. Kj2) sind in der Nähe der Stromschienen (1) für den negativen Gleichstromanschluss (–), den positiven Gleichstromanschluss (+) bzw. für den jeweiligen Phasenanschluss (a, b oder c) angeordnet und mit der jeweiligen Stromschiene (1) im Rahmen (9) verbunden. Vorzugsweise sind diese Kontaktpins (Ej2, Kj1 bzw. Kj2) als von der jeweiligen Stromschiene (1) ausgeklinkte Kontaktpins ausgebildet.As part of ( 9 ) Several contact and connection pins are arranged. Near the temperature sensor ( 11 ) are in the frame ( 9 ) two contact surfaces ( 2 ), which in each case with a connection pin ( 12 ) for the temperature sensor ( 11 ) are connected. The temperature sensor ( 11 ) is from the DBC ceramic substrate ( 4 ) by bonding wires ( 3 ) with the contact surfaces ( 2 ) on the frame ( 9 ) connected. In this respect, the frame fulfills the function of a bond frame. All contact pins (G j1 , E j1 , G j2 ) of the bridge branches j = (A, B, C) and all connection pins ( 12 ), which have a contact surface ( 2 ) are in the framework ( 9 ) arranged that the corresponding bonding wires ( 3 ) be kept short. The remaining contact pins (E j2 , K j1 and K j2 ) are in the vicinity of the busbars ( 1 ) for the negative DC connection (-), the positive DC connection (+) or for the respective phase connection (a, b or c) and with the respective busbar ( 1 ) as part of ( 9 ) connected. Preferably, these contact pins (E j2 , K j1 and K j2 ) as of the respective busbar ( 1 ) formed unlatched contact pins.

4 zeigt eine räumliche Darstellung des Dreiphasen-Wechselrichtermoduls aus 3. Die Kontakt- und Anschlusspins (12) sind in dieser Darstellung als solche besser zu erkennen. Die nicht gezeigte Leiterplatte, auf der die Elektronik zur Erfassung der Gleichspannung des Zwischenkreises angeordnet ist, wird vom Rahmen (9) getragen. Die Leiterplatte wird von den Kontakt- und Anschlusspins (12) kontaktiert. Auf der Leiterplatte ist bei dem dargestellten Wechselrichtermodul auch die Elektronik zur Ansteuerung der IGBT-Gates und zur Auswertung der Temperatur- (11) und Hall-Sensoren angeordnet. Die Hall-Sensoren können auf der Leiterplatte befestigt sein. Sie sind Teil der Messvorrichtung (MA, MB, MC) für die Phasenströme (iA, iB, iC). Die Strommessvorrichtung (MA, MB, MC) ist um die jeweilige Stromschiene (1) für den Phasenanschluss (a, b, c) im Rahmen (9) angeordnet. 4 shows a spatial representation of the three-phase inverter module 3 , The contact and connection pins ( 12 ) are better recognized as such in this presentation. The printed circuit board, not shown, on which the electronics for detecting the DC voltage of the DC link is arranged, from the frame ( 9 ) carried. The PCB is removed from the contact and connection pins ( 12 ) contacted. On the printed circuit board in the illustrated inverter module, the electronics for controlling the IGBT gates and for the evaluation of the temperature ( 11 ) and Hall sensors are arranged. The Hall sensors can be mounted on the circuit board. They are part of the measuring device (M A , M B , M C ) for the phase currents (i A , i B , i C ). The current measuring device (M A , M B , M C ) is around the respective busbar ( 1 ) for the phase connection (a, b, c) in the frame ( 9 ) arranged.

Unter der Stromschiene (1) für den negativen Gleichspannungsanschluss (–) ist in 4 ein Teil der Isolierung (5) zur Stromschiene (1) für den positiven Gleichspannungsanschluss (+) gezeigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Isolierung (5) aus dem Material des Rahmens (9). Bei der Herstellung des Rahmens (9) kann so vorteilhaft auch die Isolierung (5) der beiden Stromschienen (1) für die Gleichspannungsanschlüsse (+, –) erzeugt werden.Under the busbar ( 1 ) for the negative DC voltage connection (-) is in 4 a part of the insulation ( 5 ) to the busbar ( 1 ) for the positive DC voltage connection (+). In the illustrated embodiment, the insulation ( 5 ) of the material of the frame ( 9 ). In the production of the frame ( 9 ) can also be advantageous the insulation ( 5 ) of the two busbars ( 1 ) for the DC voltage connections (+, -).

Die in dieser Darstellung gut zu erkennenden rechteckigen Aussparungen (10) im Rahmen (9) dienen der Aufnahme der Übertragerkerne der high-side (A.1, B.1, C.1) und der low-side (A.2, B.2, C.2) Gate-Treiber. Die Elektronik zur Ansteuerung der IGBT-Gates befindet sich auf der bereits beschriebenen Leiterplatte, die auf dem Rahmen (9) angeordnet ist. Die Ansteuerspannung muss transformiert werden, bevor durch sie die IGBTs (SA1, SA2) gesteuert werden. Die dazu notwendigen Transformatoren verwenden Übertragerkerne. Durch die Aufnahme der Übertragerkerne in die Aussparungen (10) im Rahmen (9) können Volumeneinsparungen von 10 bis 15 Prozent für das Dreiphasen-Wechselrichtermodul erzielt werden.The rectangular recesses (FIG. 10 ) as part of ( 9 ) are used to accommodate the transformer cores of the high-side (A.1, B.1, C.1) and the low-side (A.2, B.2, C.2) gate driver. The electronics for controlling the IGBT gates are located on the printed circuit board already described, which is mounted on the frame ( 9 ) is arranged. The drive voltage must be transformed before it controls the IGBTs (S A1 , S A2 ). The necessary transformers use transformer cores. By the inclusion of the transformer cores in the recesses ( 10 ) as part of ( 9 ) can achieve volume savings of 10 to 15 percent for the three-phase inverter module.

Die Anschlüsse der beiden Übertragerkerne können vorteilhaft gegen Vibrationsbelastungen geschützt werden, indem der verbleibende Hohlraum der Aussparungen (10) im Rahmen (9) mit einem elastischen Feststoff gefüllt wird.The connections of the two transformer cores can be advantageously protected against vibration loads by the remaining cavity of the recesses ( 10 ) as part of ( 9 ) is filled with an elastic solid.

5 zeigt eine Frontansicht des Dreiphasen-Wechselrichtermoduls. Im Vordergrund sind die Grundplatte (8) in Form eines Kühlkörpers mit Kühlprofil auf der Unterseite, der Rahmen (9) und die Phasenanschlüsse (a, b, c) dargestellt. Hinter den Phasenanschlüssen (a, b, c) bewirkt der obere Teil der Messvorrichtungen (MA, MB, MC) für die Phasenströme iA, iB, iC die abgerundete Erhöhung des Rahmens (9) in diesem Bereich. Die geringe Gesamthöhe des Leistungsmoduls wird durch eine Kombination der beschriebenen Merkmale erzielt. 5 shows a front view of the three-phase inverter module. In the foreground are the base plate ( 8th ) in the form of a heat sink with cooling profile on the bottom, the frame ( 9 ) and the phase terminals (a, b, c) are shown. After the phase connections (a, b, c), the upper part of the measuring devices (M A , M B , M C ) for the phase currents i A , i B , i C causes the rounded increase of the frame (FIG. 9 ) in this area. The small overall height of the power module is achieved by a combination of the features described.

++
Positiver Gleichspannungsanschlusspositive DC voltage connection
–-
Negativer Gleichspannungsanschlussnegative DC voltage connection
11
Stromschieneconductor rail
22
Kontaktflächecontact area
33
Bonddrahtbonding wire
44
Direct-bonded-copper KeramiksubstratDirect-bonded-copper ceramic substrate
55
Isolierunginsulation
66
Kontaktbereichcontact area
77
Metallfahnemetal lug
88th
Grundplattebaseplate
99
Rahmenframe
1010
Aussparungrecess
1111
Temperatursensortemperature sensor
1212
Anschlusspin Temperatursensorconnector pin temperature sensor
a, b, ca, b, c
Phasenanschlussphase connection
A, B, CA, B, C
Brückenzweigbridge branch
iA, iB, iC i A , i B , i C
Phasenstromphase current
MA, MB, MC M A , M B , M C
PhasenstrommessvorrichtungPhase current measurement device
i1 i 1
Gleichstromdirect current
A.1A.1
high-side Brückenzweighälftehigh-side Bridge arm half
A.2A.2
low-side Brückenzweighälftelow side Bridge arm half
Dj1 D j1
high-side Diode des Brückenzweigs j = (A, B, C)high-side Diode of the bridge branch j = (A, B, C)
Dj2 D j2
low-side Diodelow side diode
Sj1 S j1
high-side IGBThigh-side IGBT
Sj2 S j2
low-side IGBTlow side IGBT
Gj1 G j1
Kontaktpin für den high-side IGBT Gate-Anschlusscontact pin for the high-side IGBT gate connection
Gj2 G j2
Kontaktpin für den low-side IGBT Gate-Anschlusscontact pin for the low-side IGBT gate connection
Kj1 K j1
Kontaktpin für den high-side IGBT Kollektor-Anschlusscontact pin for the high-side IGBT collector connection
Kj2 K j2
Kontaktpin für den low-side IGBT Kollektor-Anschlusscontact pin for the low-side IGBT collector connection
Ej1 E j1
Kontaktpin für den high-side IGBT Emitter-Steueranschlusscontact pin for the high-side IGBT emitter control terminal
Ej2 E j2
Kontaktpin für den low-side IGBT Emitter-Steueranschlusscontact pin for the low-side IGBT emitter control connection

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Claims (16)

Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, insbesondere eines Leistungsmoduls zum Einsatz in Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen, bei dem mindestens ein Halbleiterelement auf mindestens ein DBC-Keramiksubstrat (4) gelötet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rahmen (9) erstellt wird, in dem mindestens eine Stromschiene (1) befestigt wird, die über dem DBC-Keramiksubstrat (4) angeordnet ist und durch Ultraschallschweißen von mindestens einer Metallfahne (7) der Stromschiene (1) mit dem DBC-Keramiksubstrat (4) mechanisch und elektrisch verbunden wird.Method for producing a power module, in particular a power module for use in hybrid and / or electric vehicles, in which at least one semiconductor element is mounted on at least one DBC ceramic substrate ( 4 ) is soldered, characterized in that a frame ( 9 ) is created, in which at least one busbar ( 1 ) overlying the DBC ceramic substrate (FIG. 4 ) is arranged and by ultrasonic welding of at least one metal tab ( 7 ) of the busbar ( 1 ) with the DBC ceramic substrate ( 4 ) is mechanically and electrically connected. Aufbau eines Leistungsmoduls, insbesondere zum Einsatz in Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen, umfassend mindestens ein Halbleiterelement auf mindestens einem DBC-Keramiksubstrat (4), dadurch gekennzeichnet, dass über dem DBC-Keramiksubstrat (4) mindestens eine Stromschiene (1) angeordnet ist, die in einem Rahmen (9) befestigt ist und durch Ultraschallschweißen von mindestens einer Metallfahne (7) der Stromschiene (1) mit einem DBC-Keramiksubstrat (4) mechanisch und elektrisch verbunden ist.Construction of a power module, in particular for use in hybrid and / or electric vehicles, comprising at least one semiconductor element on at least one DBC ceramic substrate ( 4 ), characterized in that above the DBC ceramic substrate ( 4 ) at least one busbar ( 1 ) arranged in a frame ( 9 ) and by ultrasonic welding of at least one metal flag ( 7 ) of the busbar ( 1 ) with a DBC ceramic substrate ( 4 ) is mechanically and electrically connected. Aufbau nach Anspruch 2 mit mindestens zwei Gleichspannungsanschlüssen (+, –), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromschienen (1), die zu den Gleichspannungsanschlüssen (+, –) führen, parallel übereinander über dem DBC-Keramiksubstrat (4) angeordnet sind und durch eine Isolierung (5) elektrisch voneinander isoliert sind.Structure according to claim 2, having at least two DC voltage connections (+, -), characterized in that the two busbars ( 1 ) which lead to the DC voltage terminals (+, -), parallel over the DBC ceramic substrate ( 4 ) and by insulation ( 5 ) are electrically isolated from each other. Aufbau nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (1) mechanisch und elektrisch mit dem DBC-Keramiksubstrat (4) verbunden ist durch Ultraschallschweißen von mehreren Metallfahnen (7) der Stromschiene (1), wobei die Metallfahnen (7) bezüglich des oder der Halbleiterelemente auf dem DBC-Keramiksubstrat (4) symmetrisch angeordnet sind.Structure according to one of claims 2 or 3, characterized in that the busbar ( 1 ) mechanically and electrically with the DBC ceramic substrate ( 4 ) is connected by ultrasonic welding of several metal flags ( 7 ) of the busbar ( 1 ), whereby the metal flags ( 7 ) with respect to the semiconductor element (s) on the DBC ceramic substrate ( 4 ) are arranged symmetrically. Aufbau nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass um mindestens eine Stromschiene (1) eine Strommessvorrichtung im Rahmen (9) angeordnet ist.Structure according to one of claims 2 to 4, characterized in that around at least one busbar ( 1 ) a current measuring device in the frame ( 9 ) is arranged. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 2 bis 5 umfassend je Phase einen Brückenzweig (A, B, C), bei dem die an einen positiven Gleichspannungsanschluss (+) angeschlossene Brückenzweighälfte (A.1) und die an einen negativen Gleichspannungsanschluss (–) angeschlossene Brückenzweighälfte (A.2) jeweils mindestens einen IGBT (SA1 bzw. SA2) und mindestens eine Diode (DA1 bzw. DA2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede Brückenzweighälfte auf einem einzelnen DBC-Keramiksubstrat angeordnet ist, wobei mindestens die zwei DBC-Keramiksubstrate (4) eines Brückenzweigs (A, B, C) auf eine gemeinsame Grundplatte (8) gelötet sind.Design of a three-phase inverter module according to one of Claims 2 to 5, comprising one bridge arm (A, B, C) for each phase, in which the half-bridge half (A.1) connected to a positive DC voltage connection (+) and the one to a negative DC voltage connection (A) are connected. ) connected bridge half (A.2) in each case at least one IGBT (S A1 or S A2 ) and at least one diode (D A1 or D A2 ), characterized in that each bridge half is disposed on a single DBC ceramic substrate, wherein at least the two DBC ceramic substrates ( 4 ) of a bridge branch (A, B, C) on a common base plate ( 8th ) are soldered. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (8) ein Kühlkörper aus Kupfer ist.Construction of a three-phase inverter module according to claim 6, characterized in that the base plate ( 8th ) is a heat sink made of copper. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide DBC-Keramiksubstrate (4) eines jeden Brückenzweigs (A, B, C) gleich groß und/oder identisch mit Halbleiterelementen bestückt sind.Construction of a three-phase inverter module according to one of Claims 6 or 7, characterized in that both DBC ceramic substrates ( 4 ) of each bridge branch (A, B, C) are the same size and / or identical equipped with semiconductor elements. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Brückenzweig (A, B, C) jeweils der Anodenkontakt der low-side (A.2) Diode (DA2) über mindestens einen Bonddraht (3) verbunden ist mit dem Emitterkontakt des low-side (A.2) IGBTs (SA2) und von dort mit der Stromschiene (1) des negativen Gleichspannungsanschlusses (–).Construction of a three-phase inverter module according to one of claims 2 to 8, characterized in that for each bridge branch (A, B, C) respectively the anode contact of the low-side (A.2) diode (D A2 ) via at least one bonding wire ( 3 ) is connected to the emitter contact of the low-side (A.2) IGBT (S A2 ) and from there to the busbar ( 1 ) of the negative DC voltage connection (-). Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Brückenzweig (A, B, C) jeweils der Anodenkontakt der high-side (A.1) Diode (DA1) über mindestens einen Bonddraht (3) verbunden ist mit dem Emitterkontakt des high-side (A.1) IGBTs (SA1) und von dort mit dem low-side (A.2) DBC-Keramiksubstrat (4).Structure of a three-phase inverter module according to one of claims 2 to 9, characterized in that for each bridge branch (A, B, C) in each case the anode contact of the high-side (A.1) diode (D A1 ) via at least one bonding wire ( 3 ) is connected to the emitter contact of the high-side (A.1) IGBT (S A1 ) and from there to the low-side (A.2) DBC ceramic substrate ( 4 ). Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (9) mindestens eine Leiterplatte trägt, auf der eine Elektronik zur Erfassung der Gleichspannung des Zwischenkreises angeordnet ist, wobei der Abgriff der zu erfassenden Gleichspannung direkt von den Stromschienen (1) der beiden Gleichspannungsanschlüsse (+, –) erfolgt.Construction of a three-phase inverter module according to one of Claims 2 to 10, characterized in that the frame ( 9 ) carries at least one printed circuit board, on which an electronics for detecting the DC voltage of the intermediate circuit is arranged, wherein the tap of the DC voltage to be detected directly from the busbars ( 1 ) of the two DC voltage connections (+, -) takes place. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (9) Aussparungen (10) zur Aufnahme der beiden Übertragerkerne der high-side (A.1) und der low-side (A.2) Gate-Treiber für die IGBTs (SA1, SA2) umfasst.Construction of a three-phase inverter module according to claim 11, characterized in that the frame ( 9 ) Recesses ( 10 ) for receiving the two transformer cores of the high-side (A.1) and the low-side (A.2) gate driver for the IGBTs (S A1 , S A2 ). Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach Anspruch 12, wobei die verbleibenden Hohlräume der Aussparungen (10) im Rahmen (9) mit einem elastischen Feststoff ausgefüllt sind.Structure of a three-phase inverter module according to claim 12, wherein the remaining cavities of the recesses ( 10 ) as part of ( 9 ) are filled with an elastic solid. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden DBC-Keramiksubstrate (4) jedes Brückenzweigs (A, B, C) auf einer Grundplatte (8A, 8B, 8C) angeordnet und von einem begrenzenden und abschließenden Rahmen (9A, 9B, 9C) umgeben sind, wodurch der Dreiphasen-Wechselrichter aus drei separaten identischen Modulen zusammengesetzt ist.Construction of a three-phase inverter module according to one of Claims 2 to 13, characterized in that the two DBC ceramic substrates ( 4 ) of each bridge branch (A, B, C) on a ground plate ( 8A . 8B . 8C ) and of a limiting and concluding framework ( 9A . 9B . 9C ), whereby the three-phase inverter is composed of three separate identical modules. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Brückenzweige (A, B und C) auf einer gemeinsamen Grundplatte (8) angeordnet sind, wodurch der Dreiphasen-Wechselrichter aus einem einzelnen Modul besteht.Construction of a three-phase inverter module according to one of Claims 2 to 13, characterized in that the three bridge branches (A, B and C) are mounted on a common base plate ( 8th ), whereby the three-phase inverter consists of a single module. Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichtermoduls nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromschiene (1) jeweils den positiven Gleichspannungsanschluss (+) aller drei Brückenzweige (A, B, C) abgreift und eine zweite, elektrisch isolierte und parallel angeordnete Stromschiene (1) jeweils den negativen Gleichspannungsanschluss (–) aller drei Brückenzweige (A, B, C) abgreift.Structure of a three-phase inverter module according to claim 15, characterized in that a busbar ( 1 ) in each case the positive DC voltage terminal (+) of all three bridge branches (A, B, C) picks off and a second, electrically isolated and arranged in parallel busbar ( 1 ) picks up the negative DC voltage connection (-) of all three bridge branches (A, B, C).
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